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课前复习:简明细胞生物学系列

六、细胞膜上的蛋白通道

上次我们说到细胞膜是细胞内外的屏障,不是随便什么分子说要进出就能进出的。有些分子占了自己身体小,又和细胞膜比较熟的便宜(都是非极性的分子),而有的就没那么幸运了。于是雷锋出现了——这些转运蛋白会像雷锋扶老奶奶过马路一样,把一些分子/离子给运过细胞膜(关于这部分内容,推荐阅读《二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现:化学渗透》)。

如果只涉及到一种分子/离子的转运的话,那比较好理解。分子会借由这些蛋白形成的通道,从浓度高的一端移动到浓度低的一端,这也被称单向;但有时,这些蛋白通道的运作会涉及到两种不同的分子/离子。如果两类分子/离子都从浓度高的地方移动到了浓度低的地方,那么这种转运被称为同向转运。如果一种分子/离子从浓度高的地方移动往浓度低的地方的同时,能带动另一种分子/离子从浓度低的地方移动往浓度高的地方,那么这种被称为逆向转运

【3种转运的方式】

顺带插一句,虽然这些转运蛋白对细胞来说非常重要,但对此的研究却比较有限。原因在于它们往往与细胞膜结合非常紧密,而蛋白上的细胞膜无疑会影响对其功能的分析。想要从细胞膜上分离出纯粹的蛋白,恐怕要借助去污剂(能够让细胞膜的磷脂分子从蛋白上脱落)了。但去污剂本身可能也会对蛋白结构造成影响……所以在这方面能做出重大发现的家伙,一般RP也不错……

那么,为什么这些膜上的转运蛋白那么重要呢?这些分子/离子在体内就保持相应的浓度好了,为什么要把其中的一些收入细胞的囊中,而另一些赶出细胞呢?原因很简单,细胞并没有对这些分子/离子一视同仁。比如小肠的上皮细胞就是个吃货,它特别喜欢把葡萄糖收进自己的身体里。而对另一些细胞来说,钠离子是有毒性的,因此要马上排出细胞之外。另外,这些离子对于维持身体的渗透压是非常重要的。大家或许都听说过把盐撒在蛞蝓身上,蛞蝓就会脱水死亡的故事。这就是渗透压的一个应用。在同等面积的情况下,蛞蝓体内的水分更多,于是就从水分多的地方流往水分少的地方,以期达到平衡。于是蛞蝓就脱水了……同理,当细胞处于都是水分的环境中时,细胞就会膨胀。

【关于渗透的图示】

总而言之,渗透便是在两者间浓度存在差异时,一种物质从浓度高的地方移动往浓度低的地方的一种现象,比如说这样……

当然有人说这不科学,为什么水能够从一端渗透到另一端,但溶液中的其他离子,比如上上图中的钾离子,没有和水一起渗透呢?原因在于……钾离子通过细胞膜是需要通道的么~上上图中的那层膜只是纯粹的膜而已。。

一般的通道蛋白就好像一个双层的检查门一样,要运输的物质先通过第一层门进入两层门中间的空间,然后第一道门关闭,第二道门开启,这些物质再从第二道门走出去。值得注意的是,这样的通道并不具有方向性。具体物质的流动方向仅仅取决于这些物质的浓度。如果浓度梯度发生逆转,那么流动的方向也会逆转。

【一个运输葡萄糖的通道】

有些通道蛋白偏偏不信天之道,损有余而补不足这一套。它们认为锦上添花才是更有意思的事情。但问题在于它们不能简单的把通道一开了事,不然细胞内高浓度的物质反而会流失出细胞外。于是这些细胞以“一定要严防死守”为名关闭了上述的那种由浓度梯度决定方向的通道蛋白,并在它们的细胞膜上偷偷开了一扇后门。既然是后门,那当然不是随便谁都能找到门路。于是想要把物质A给运入细胞,还需要有物质B来当引路人。只有在B的存在下,这扇后门才会为A而开。

【一个同时运输钠离子和葡萄糖分子的通道。其中钠离子是从浓度高的地方移动到浓度低的地方,而葡萄糖则是从浓度低的地方移动到浓度高的地方。】

小肠的上皮细胞是一个理解这两类通道的很好的模型。如下图所示,这些细胞希望能尽可能地吸收肠道中的营养,因此会在细胞靠近肠道的那侧启动第二类通道蛋白,在钠离子的帮忙下将肠道中所剩无几的葡萄样吸收入细胞内。然而钠离子在细胞中积累多了有毒性,此外小肠上皮细胞也不希望将葡萄糖在自己体内藏太久的时间——毕竟其他细胞还仰赖着这些葡萄糖过活。于是小肠细胞在靠近毛细血管的那侧细胞膜上又安插了第一类通道蛋白,依靠浓度差将细胞内的葡萄糖和钠离子排出细胞。

【小肠上皮细胞上的通道蛋白工作示意图】

当然有时候细胞内的钠离子浓度已经低于细胞外的钠离子浓度了,但这些浓度仍然不能让细胞接受,那么就只能通过消耗能量的方法,把这些多余的钠离子给出细胞外。像质子泵,钙离子泵,钾离子泵等消耗能量转运离子的蛋白也都属于这一类别。

【一些离子泵的示意图】

而有的离子泵则效率更高。哺乳动物一般的细胞内钠离子浓度要远低于细胞外,而钾离子要远高于细胞外。于是一些“泵”在把钠离子排出细胞外的同时,顺便把钾离子也给吸收了进来……没办法,能量对于细胞来说很宝贵的。能少开一次那个泵就少开一次吧……

【排出钠离子并吸收钾离子的转运蛋白的工作示意图】

【细胞内外的一些离子浓度对比】

有些细胞膜上的“泵”则反其道而行之,偏偏让离子从浓度高的地方流入到浓度低的地方。上文中提到的从低到高需要消耗能量,这种从高到低的流动反而能产生能量!这就好像有的泵能够消耗能量把水泵上水塔,而水塔上的水流下来又可以带动涡轮发电产生能量一样。

本文的最后,让我们来介绍一种研究得比较透彻的离子通道——钾离子通道。这个通道由4条相同的多肽链组成(还记得多肽链是什么吗?)。这个通道的中心有一条很窄长的通道,两侧的氨基酸偏疏水性,因此钾离子不会在通道这里过度停留,而能很快地通过这个通道;通道下部有一个稍宽畅一点的空腔,里面可以容纳一些水分子。由于离子本身偏好有水的环境,因此这些水分子能够帮助钾离子尽可能地抵达通道的中心,即接近那些疏水性的氨基酸;而通道上部是进行筛选的一个地方。钠离子和钾离子同样带1个正电荷,但这个通道就几乎只给钾离子开放,而不给钠离子开放。有人认为这是因为钾离子的半径较大,与微环境能形成更稳定的结构的原因。钠离子由于不稳定,接近筛选区域后就浅尝辄止,草草离去。这个离子通道还有一些其他比较有意思的特性,比如通道两端的氨基酸携带了不少负电荷,方便吸引钾离子这个阳离子。而通道顶部和底部又有一些大的芳香族氨基酸插入到细胞膜内。这些疏水性的氨基酸侧链能够与细胞膜形成一个稳定的结构,因此相当于把这个通道给“锚定”在了细胞膜上。更多的内容,可以去参考这篇1998年发表在《Science》的文章。这篇论文也是我们本周小组重点讨论的内容。

【钾离子通道的侧面图】

【某个解释为什么只有钾离子能够通过,而钠离子不能通过的模型】

课堂总结:

0. 写论文的日子不是人过的日子……(请无视这条)
1. 控制什么物质应该进入细胞,什么物质应该离开细胞是细胞维持其生理活性很重要的一个环节(好绕口)
2. 一般说来,物质从浓度高的地方流入浓度低的地方不消耗能量,甚至能产生能量。这些能量也可以被用来将其他一些物质从浓度低的地方运入浓度高的地方。否则,就只能动用细胞内本身储存的能量。
3. 一个细胞的不同表面完全有可能有不同类型的转运蛋白,小肠上皮细胞就是一个完美的例子。理解了这个细胞上3种转运转运蛋白的运作方式,这一课的基本内容你就掌握了。
4. 如果你想要挑战一下自己,可以去读下文中提到的那篇论文。论文不是很有趣,但是做得很牛逼……读通之后,你会对钾离子通道有一个全新的认识。

关于本文

简明细胞生物学系列

特别感谢刘洪瑞、宋超逸二位同学为此文配图所做的翻译、制图工作。

刘洪瑞:兰州大学网络与新媒体专业,热爱科学,喜欢钻研,总是以一种物质的视角观察生活,果壳昵称:刘洪瑞。

宋超逸:兰州大学生物学基础理论专业,喜欢大千世界的花鸟虫鱼,擅长PS,经常逛果壳。

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13 Responses to “简明细胞生物学(四)”

  1. afaint说道:

    那只猫的图片能再萌点么?

  2. fare2000说道:

    猜想,不管中药西药其药理作用估计都是在细胞分子这个层面上起的药效。

  3. 麦克斯韦妖说道:

    配图好评~~~

  4. zolover说道:

    图片太科学了!!!

  5. watson说道:

    选择性过滤不理解

  6. 源代码说道:

    源代码高清下载:http://www.youlene.com/show_page/kongbupian/20868/

  7. BLing说道:

    【物质从浓度高的地方流入浓度低的地方不消耗能量,甚至能产生能量。这些能量也可以被用来将其他一些物质从浓度低的地方运入浓度高的地方。否则,就只能动用细胞内本身储存的能量。】...读了这篇文章的新发现!可是它是怎么产生能呢???

  8. fengfeixue说道:

    原来月如姐开始主攻松鼠会啦~

  9. 伍步琪说道:

    坐等更新啦,非常棒!

  10. glasswing说道:

    两个月没更新了,老师。

  11. Rex说道:

    天坑已挖好的节奏!跪求更新啊大神~~

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